多功能助老洗浴裝置設(shè)計

張弘陽，鄧安琴，陳志偉，孫雨寒

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學，天津，300000）

0 引言

由于老齡化的加速和洗浴對于重障者生活質(zhì)量提高的重要性，世界各國都在研制相關(guān)的輔具產(chǎn)品。日本各種協(xié)助老人或行動不便者移入浴缸洗澡的輔助器具非常齊全，這些洗浴設(shè)施可以防止溺水，同時可以達到清潔、防止交叉感染的作用。

1 方案設(shè)計及搓澡過程分析

本課題的研究內(nèi)容是研究出輔助老人洗浴搓澡裝置，其主要功能有：為老年人自動搓澡和自動洗頭發(fā)，并且整個裝置的綜合性能保證老人洗浴過程中的安全性，本章首先介紹了多功能助老洗浴裝置的整體設(shè)計要求，然后分析本文的主體部分—搓澡系統(tǒng)設(shè)計，通過對養(yǎng)老院、醫(yī)院和普通家庭進行的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，綜合考慮老年人洗浴過程中的實際需要，該裝置應(yīng)具有以下功能：

(1)首先設(shè)計的個人衛(wèi)生護理機器人應(yīng)具備洗頭、搓澡等基本洗浴功。

(2)由于使用者大多數(shù)是老年人，所以在洗浴的過程中保證洗浴者在洗浴過程中的身體安全。

(3)設(shè)計的個人衛(wèi)生護理機器人要滿足省空間、省水的要求。

(4)洗浴者在洗浴過程中要滿足舒適性的要求。

2 機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

基于前文的綜合分析，本機械結(jié)構(gòu)由底盤、動力結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)和搓澡結(jié)構(gòu)四部分共同組成，為了最終得到一個滿意的設(shè)計方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個部分，并尋求多種可行的方案，

在導軌上做平面運動，該裝置精度要求較高，定位較好，運動軌跡相對較為精準，通過電機可以調(diào)節(jié)該裝置對背部進行搓澡，大部分材料都便于加工，可以及時調(diào)節(jié)，該裝置主要通過吸盤吸附在墻上或浴缸上，攜帶方便且重量較輕，受力相對較好，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速體驗不一樣的搓背速度，很適合老年人洗浴，使用導軌和v帶控制工作臺的運動。幫助獨居老人搓澡，考慮到空間節(jié)約率和成本因素，項目在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子控制技術(shù)，機電一體化，多學科結(jié)合，研發(fā)成本低，功能完善巧妙，具有很強的實用性和創(chuàng)新性并實現(xiàn)了能源循環(huán)利用。整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 機械結(jié)構(gòu)整體示意圖

3 動力結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置的動力結(jié)構(gòu)來源于一個小功率可變速電機，該電機具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性；通過單片機來控制電機的運轉(zhuǎn)速度，基本符合設(shè)計低成本、可操行性強的特點。動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

■4.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)多功能助老洗浴裝置的功能要求，控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下的功能：調(diào)節(jié)水溫、控制搓澡力度、控制搓澡時間以及漏電保護。

在本設(shè)計中，將控制系統(tǒng)分為人機交互模塊、溫度控制模塊、搓澡和漏電保護四個模塊。核心控制芯片采用的是DSP2812，如圖3所示，首先，老年人通過鍵盤所需要搓澡水溫、力度及時間，相關(guān)信息都會顯示在控制面板上。溫度控制控制模塊會根據(jù)輸入的信息，調(diào)節(jié)加熱器從而達到設(shè)定的問題，而搓澡模塊會根據(jù)輸入信息調(diào)整搓澡力度和時間，漏電保護模塊會在發(fā)生漏電觸電后，立刻切斷所有電路。

圖3 控制系統(tǒng)硬件電路組成

基于硬件組成分析，控制系統(tǒng)主要由以下幾個方面組成：處理器；人機交互電路；溫度控制電路；搓澡電路和無線收發(fā)電路。

處理器負責調(diào)配系統(tǒng)所有資源，是整個控制系統(tǒng)的核心，選用控制器需要考慮的是控制器要可靠，易于維護，可移植性強，效率高。日前有以下兩種選擇。

(1)單片機：如今，在一般的自動控制系統(tǒng)中，單片機得到了廣泛的應(yīng)用。單片機種類繁多，很多公司都有自己的產(chǎn)品，有著不同的應(yīng)用背景，其中51系列、AVR PIC系列的最多。但單片機受到了本身速度的限制。

(2)數(shù)字信號處理器：數(shù)字信號處理器（DSP）采用了不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的通用微處理器大多采用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，它片內(nèi)的程序空間與數(shù)據(jù)空間共用一個公共的存儲空間。為了提高速度，現(xiàn)代DSP芯片內(nèi)部一般采用的是哈佛結(jié)構(gòu)或改進的哈佛結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)為了能夠使得控制速度更快，執(zhí)行更可靠，采用32位定點 DSPTMS320F2812芯片作為核心控制芯片。IMS320F2812是美國德州儀器公司T研制的數(shù)字信號處理器，面向自動控制、工業(yè)自動化、最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的第一款有片內(nèi)F1ash，工作頻率達到150M的32位DSP.TMS320F2812最高主頻150MHz，保證了處理信號的快速性和實時性，高速的信號可以提供實時的信息處理，保證控制信號響應(yīng)的快速性；集成了128K＊16位的閃速存儲器，可方便地實現(xiàn)軟件升級：其基于C/C+思維高效32位DSP內(nèi)核，并提供浮點數(shù)學函數(shù)庫，從而可以在定點處理器上方便地實現(xiàn)浮點運算TS320F2812主要性能特征如下：

(1)處理速度快，主頻150Hz（時鐘周期6.67ns）；

(2)片內(nèi)自帶SRAM、F1ash，節(jié)省成本以及外部電路的復雜性；

(3)外部儲存器接口，外部最多可擴展1延＊16b存儲空間；

(4)眾多的外部設(shè)備，如SCI、SPI、CAN、EV、ADC等；

(5)最多可達56個可編程通用輸入/輸出GPI0口，方便控制外部設(shè)備；

(6)有三個外部中斷，同時外部中斷模塊（PIE）可以支持45個外設(shè)中斷。

■4.2 人機交互模塊設(shè)計

為了方便對洗浴裝置的控制，增強洗浴裝置的人機交互能力，在控制系統(tǒng)中添加了LED顯示。通過顯示電路可以顯示溫度、時間等。

在界面設(shè)計中，充分考慮了時間、溫度、力度等，并且可以通過加熱使水流溫度升高。

圖4 控制系統(tǒng)人機界面設(shè)計

由于在控制器中使用的按鍵數(shù)量較多，為了減少I0口占用，采用矩陣式鍵盤在矩陣式鍵盤中，每條行線和列線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個7位的端口就可以構(gòu)成3×4=12個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤時按鍵數(shù)多出一倍。

矩陣鍵盤與F2812的接口電路如圖5所示。在途中，P6為3×4矩陣鍵盤接口GPI0的0~3號腳連接鍵盤的行線，4~6號腳連接鍵盤的行線；SN74LS08為TI公司的兩輸入四與門芯片（該芯片由4個兩輸入的與門構(gòu)成）。鍵盤電路中將SLV7-LS08芯片的8號腳與DsP2812的外部中斷2輸入引腳相連，當有按鍵操作時，GPIOB0-3端口連接線中有一條線為低電平，4條線上電平的與運算結(jié)果為0，使SN74LS08芯片的8號腳輸出低電平，這樣就會觸發(fā)F2812的外部中斷2，使DSP調(diào)用中斷程序處理按鍵操作。

圖5 按鍵電路圖

■4.3 溫度控制設(shè)計

本模塊的工作原理是通過溫度傳感器采集的溫度與期望溫度的比較，產(chǎn)生的誤差傳遞給DSP，并通過DSP的計算產(chǎn)生控制信號，調(diào)節(jié)加熱器以控制浴缸的溫度。整個控制回路主要由溫度采集、DSP和溫度控制執(zhí)行器三部分組成。溫度的控制為將1分鐘分為60個1秒的時間片，通過PI算法得到每個時間片加熱器的開關(guān)狀態(tài)，通過加熱管的開關(guān)來調(diào)節(jié)溫度。

水溫控制以DSP為控制器的核心，通過溫度檢測電路循環(huán)測定多路溫度傳感器上的溫度值，采用PI控制策略來實現(xiàn)水溫的調(diào)節(jié)，通過外接的鍵盤可實現(xiàn)溫度設(shè)定溫度顯示電路擬采用LED液晶顯示?？刂菩盘柛綦x輸出電路通過繼電器將加熱強電電路與單片機隔離，防止其干擾單片機的工作。單片機的輸出控制信號控制電熱絲的斷通，從而調(diào)節(jié)水溫。

■4.4 無線電收發(fā)設(shè)計

為了實現(xiàn)上位機和控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息實時傳遞，如搓澡時間、水溫和時間等參數(shù)需要傳輸給上位機，上位機的操作質(zhì)量也需要通過其來控制洗浴裝置的動作，由于浴室環(huán)境高溫且潮濕，又要保證有效的實時通訊，因此選擇了SM51-485無線通信模塊，該模塊有以下特點：

(1)完善的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)實時通信。

(2)傳輸距離遠。完全滿足洗浴控制系統(tǒng)的通信要求。

(3)透明的數(shù)據(jù)傳輸。能適應(yīng)各種標準或非標準的用戶協(xié)議，使得發(fā)送的數(shù)據(jù)即為收到的數(shù)據(jù)，過濾掉空中的噪聲信號。

(4)高速無線通信和大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖7 SM51通信模塊

■4.5 漏電保護電路圖

當電路或用電設(shè)備漏電電流大于裝置的整定值，或人、動物發(fā)生觸電危險時，它能迅速動作，切斷事故電源，避免事故的擴大，保障了人身、設(shè)備的安全。

圖8

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

■5.1 洗浴控制器軟件總體設(shè)計

洗浴控制器以TMS320F2812為核心，軟件開發(fā)環(huán)境采用“代碼設(shè)計師工作室（CCS）”的軟件。CCS集成了仿真環(huán)境支持硬件在線調(diào)試，支持單步和斷電運行。

整個系統(tǒng)下位機的程序主要由C構(gòu)成的，是在CCS的環(huán)境下編寫，通過控制DSP以協(xié)調(diào)整個控制過程。整體程序主要由三部分組成：通信接口，主要負責DSP與上位機的無線通信；主控程序，主要負責DSP內(nèi)部資源的協(xié)調(diào)、定時中斷、A/D采樣等：人機接口程序，主要負責響應(yīng)按鍵中斷。下位機程序結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 下位機程序結(jié)構(gòu)圖

■5.2 溫度控制程序設(shè)計

溫度控制程序主要包括了溫度信號的采樣和控制信號的輸出，首先通過AD中斷得到采樣出來的電壓值，并計算對應(yīng)的溫度，由得到的溫度進行比較，進而產(chǎn)生了輸出信號。采用增量式PID控制輸出控制量：

并且設(shè)有控制量上限，當超過Umax的時候控制量輸出不變。將1分鐘時間分成60的時間片，在第一秒計算在這一分鐘需要開關(guān)的時間，這樣重復計算，直到溫度到達控制的目標。

■5.3 按鍵與LED顯示程序設(shè)計

具體的實現(xiàn)過程如下：(1)首先將全部列線置低電平，然后檢測行線的狀態(tài)，判斷鍵盤中有無鍵按下。只要有一根行線的電平為低，則表示電平因為有通路被拉低鍵盤中有鍵被按下，同時將相應(yīng)的key值置為和行線相關(guān)的值，因為閉合的鍵位于與低電平線連接的按鍵之中。如果所有行線都是高電平，則說明鍵盤中沒有按鍵按下。(2)接著判斷閉合鍵所在的位置，確定鍵值。方法如下：依次將列線置為低電平，即在置某一根列線為低電平時，其他列線設(shè)置為高電平。在確定某根列線位置為低電平后，再進行逐行檢測各行線的電平狀態(tài)。如果某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。這樣在確定該按鍵的行列位置的時候，根據(jù)按鍵的計算方法，即可求得按鍵的鍵值。

對于顯示的程序，首先用兩個變量來區(qū)分LED和指示燈的顯示狀態(tài)，通過判斷是設(shè)定狀態(tài)還是正常狀態(tài)調(diào)用不同的函數(shù)來顯示。

圖10 顯示程序流程圖

■5.4 無線通信程序設(shè)計

無線通信是洗浴控制系統(tǒng)的重要通信方式，通過無線通信可以解決下位機的數(shù)據(jù)采集上傳，也可以完成上位機對下位機的控制。無線通信模塊實現(xiàn)無線通信的具體方案設(shè)置通信規(guī)則：波特率=9600；8位數(shù)據(jù)傳輸；無奇偶校驗；1位停止位。

通信協(xié)議采用修正的 MODBUS協(xié)議，通過03/16功能碼定義讀寫幀，同時在幀尾采用累加和校驗及異或校驂在完成無線通信SCIA口的初始化后，主程序運行時只需要等待中斷，當SCIA接收中斷發(fā)生后，進入數(shù)據(jù)解析程序，通過設(shè)置標志位來標志解析的進度，通過進行校驗，在接收完成后，通過先發(fā)送幀頭，觸發(fā)SCIA的發(fā)送中斷。之后按照順序依次發(fā)送應(yīng)答幀，將信息反饋給上位機。

6 總結(jié)與測試

■6.1 總結(jié)

老年人輔助洗浴裝置的研制，近年來受到越來越多的重視，本文所研發(fā)的多功能輔助洗浴器具控制系統(tǒng)作為一種智能輔助洗浴器具的和興部件，通過人性化的設(shè)置是老年人能夠輕松完成洗浴、搓澡的生活日常。本文主要成果如下：

(1)對老年人輔助洗浴器具的控制需求進行功能分析，并且從總體上設(shè)計了控制系統(tǒng)。

(2)硬件設(shè)計：基于智能輔助洗浴器具的功能分析，選擇TMS320F2812作為整個控制系統(tǒng)的處理器、設(shè)計了人機交互電路、溫度控制電路、搓澡控制電路和無線收發(fā)電路，并對這些電路進行制作和調(diào)試。

(3)軟件設(shè)計：針對各個功能進行了模塊化編程，分別編寫了主程序、溫度控制程序、按鍵和顯示的程序、無線通信程序。

■6.2 測試

通過分析以上成果總結(jié)和不足，本論文認為，老年人多功能輔助洗浴器具的完善與改進工作可從以下幾個方向展開進行：

(1)尋找可以產(chǎn)品化的途徑，使得整個系統(tǒng)更加可靠

(2)將入浴和出浴結(jié)合起來，使得操作更加方便。

(3)設(shè)計系統(tǒng)、全面的臨床試驗，驗證老年人多功能輔助洗浴器具的有效性重障者支持技術(shù)已漸漸成為國內(nèi)外研究的新興的熱點領(lǐng)域，得到了長足的發(fā)展，日前從事此領(lǐng)域研究的國內(nèi)學者也逐漸增多；老年人輔助洗浴器具能夠解決患者洗浴的問題，對于他們有非常重要的意義；而基于這個功能的洗浴器具的產(chǎn)品化尚在探索之中。國內(nèi)相對國外同領(lǐng)域研究水平有一定的差距，但還不太明顯，國內(nèi)研究者若能積極探索，努力超越，將會使我國在此領(lǐng)域的研究在不短的將來處于領(lǐng)先地。